钢渣在混凝土中的综合应用.pdf

2 0 1 3年 第 1 1期 (总 第 2 8 9 期 ) Nu mb e r1 1 i n 2 O1 3 ( T o t a 1 N0 2 8 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XE D CONCRETE 钢渣在混凝土中的综合应用 吴刚。高瑞 ，尚建丽 ( 两安建筑科技大学 材料与矿资学院，陕两 两安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要 ： 系统阐述 了目前钢渣用于混凝土的主要方向： 制备水泥 、 替代粗骨料 、 替代细集料等， 以及提 m了钢渣在混凝土利用中 存在的一 问题 ， 为钢渣的进一步开发和利用提供了一定的借鉴作用。 关键词 ： 钢渣； 昆 凝土；应用 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 1 2 2 0 2 I nt egr at ed appl i ca t i on of s t e el s l ag i n c onc r et e WU Ga ng GAO Ru i SHANGJ i a n l i ( S c h o o l o f Ma t e r i a l s a n dMi n e r a l Re s o u r c e s ， Xi a nUn i v e r s i t yo f Ar c h i t e c t u r e Te c h n o l o g y， Xi a n 7 1 0 0 5 5 ， Ch i n a) Abs t r ac t ：Th i s s t u d y s y s t e ma t i c a l l y e l a b o r a t e d t h e ma i n d i r e c t i o n o f t h e s t e e l s l a g us e d i n c o n c r e t e： pr e p a r a t i o n o f c e me n t ， i n s t e a d o f c oa r s e a g g r e g a t e i ns t e a d o f fin e a g gre g a t e a nd S O o n nh e r mo r e p u t f or wa r d s o me p r o b l e m i n s t e e l s l a g c o n c r e t e u t i l i z a t i o n a n d p r o vi d e r e f e r e n c e f o r t he f ur t h e r d e ve l o p me n t a nd u t i l i z a t i o n o f s l a g Key w or ds ： s t e e l s l a g； c o n c r e t e： u t j 1 i z a t i o n 0 引 言 资源综合利用是国民经济和社会发展的长远战略方 针 ， 以清洁生产为中心发展循环经济 ， 实现可持续发展是 冶金 T业 的必然选择 。 重视钢渣资源 的二次开发利用 ， 对 冶金 丁业钢渣 的资源化利用技术提 f J 了更为科学的发展 观。 合理选择处理 艺 、 综合加T技术与产 品应用技术 ， 开 发节能环保型钢渣混凝土材料 ， 不但可大量有效利用钢渣 资源 ， 变废为宝 ， 而且促进了1 二 业 固体废渣资源循环利 用 的可持续发展 ， 符合产业政策。 钢渣是在炼钢过程中产生的以硅酸二钙 、 硅酸三钙为 主要成分的熔融物 ， 经冷却后得到的副产品。 目前随着钢铁 工业 的快速发展 ， 大量 的钢渣被排放 出来 ， 目前几乎所有 钢厂都存在堆积如山的钢渣 ， 并且每年还新产牛很多 ， 不仅 占用大量宝贵的土地， 而且严重污染周围的环境。 由于钢渣 中含有水硬胶凝性硅酸二钙和硅酸三钙 ， 被视为过烧硅酸 盐水泥熟料。 因此将钢渣用于混凝土 中不仅可 以使钢渣得 到充分和高附加值的利用 ， 同时也可 以提高混凝土的性能 。 本研究在于阐述了 目前钢渣在混凝土中利用 的情况 ， 为其 进一步的利用提供一定 的参考价值_ 1 _ 。 1 钢渣用于混凝土的主要 方向 1 1 钢渣 用于生产水泥 由于钢渣 中含有和水 泥相类似的硅酸三钙 、 硅酸二钙 及铁铝酸盐等活性矿物质 ， 具有水硬胶凝性 ， 因此可成 为 生产无熟料和少熟料水 泥的原料 ， 也可作为水泥掺 和料 。 现在生产 的钢渣水泥品种有无熟料钢渣矿渣水泥 、 少熟料 钢渣矿渣水泥 、 钢渣沸石水泥 、 钢渣矿渣硅酸盐水泥 、 钢 渣 矿渣高温型石膏白水泥和钢渣硅酸盐水泥等 。 以上水泥适 于蒸 汽养护 ， 具有后期强度高 、 耐腐蚀 、 微膨胀 、 耐磨性 能 好 、 水化热低等特点 ， 并且还具有生产简便 、 投资少 、 设 备 少 、 节省能源和成本低等优点。 其缺点是早期强度低 、 性能 不稳定 ， 因此 限制 了它的推广和利用 。 我 国近几年钢渣水 泥的生产发展较快 ， 目前已有近 3 0 万 t 的生产能力。 此外 ， 南于钢渣水泥 中含有 4 0 - 5 0 的氧化钙 ， 用它 作原料配制水泥生料 ， 越来越引起人们重视。 据报道 ， 日本 研究用钢渣生产铁酸盐水泥， 其水泥 的抗压强度和其他主 要性能几乎 与硅酸盐水泥一样 ， 研究 中所用T 艺流程是将 石灰石 、 高炉渣和钢渣 以及少量的二氧化硅 ， 按 比例磨细 混合 ， 制成直径为 0 5 1 5 c m的小球 ， 在 1 3 4 0 l 4 6 0温 度下煅烧 3 0 mi n 。 与普通硅酸盐水泥相比， 铁酸盐水泥早期 强度高 ， 水化热低 。 铁 酸盐水泥 中掺入石膏后 可生成大量 硫铁酸盐 ， 能有效地减少水泥的干缩 和提高抗海水腐蚀 的 性能 。 试验还测定了熟料形成热 ， 应用钢渣制造铁酸盐水 泥 ， 熟料的形成热大约可 以比普通硅酸盐水泥减少 5 0 。 我国目前生产的钢渣水泥主要有两种： 一种是以石膏作 激发剂的无熟料钢渣矿渣水泥， 其配合比为钢渣 4 0 4 5 、 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 5 ) 8 基金项目：国家十二五科技支撑重点项 目( 2 0 l 1 B A B 0 3 B 0 5 1 ) ； 陕两省重点学科建设专项基金资助项 目 l 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高炉渣 4 0 4 5 、 石膏 8 1 2 ， 强度等级达 2 7 5 3 2 5 级 ， 此种水泥早期强度低 ， 仅用于砌筑砂浆 、 墙体材料和农用 水利工程等 ； 另一种是 以水泥熟料为激发剂 ， 其配合 比为 钢渣 3 5 4 5 、 高炉水渣 3 5 一 4 5 、 水泥熟料 1 0 1 5 、 石膏 3 5 、 强度等级在 3 2 5 级 以上。 钢渣水泥具有水化 热低 、 后期强度高 、 抗腐蚀和耐磨等优点 ， 是理想和大坝水 泥和道路水泥。 1 2 粗铜渣替代粗骨料 用钢渣可以等体积全部替代普通混凝 土中的粗集料 ， 也是最近几年对 于钢渣利用 的研究方向。 钢渣粗骨料相对 于普通碎石有更粗糙 的表面能有效地改善界面 以及其潜 在的活性可 以提高后期 的混凝 土强度 ， 并且其硬度不低 于 普通碎石 ， 配制 的混凝土耐磨性也 比较好 。 钢渣替代粗骨料， 在同样条件下， 其前期强度相差不大， 但后期强度钢渣骨料混凝土要大于天然石骨料混凝土l 2 _ 。 可见钢渣有一定 的胶凝作用 ， 随着钢渣 的掺人 ， 大大改变 了混凝土 的内部结构 ， 强化了混凝土 中集料与水泥浆 的界 面过渡区 ， 显著改善了混凝土的力学性能 。 一般混凝土的强 度主要取决于水泥石 和界面的黏结强度 ， 而界面黏结强度 又取决于水泥石 的强度和集料的表面状况( 粗糙程度 、 棱角 的多少等 ) 、 凝结硬化条件及混凝土拌合物的泌水性等。 与 天然石相 比， 钢渣颗粒 的表面很粗糙 ， 黏结力较大 ， 与水泥 等拌 和凝结硬化后 ， 钢渣集料与水泥石黏结很好 ， 界 面黏 结强度很高 ， 大于石子与水泥石的界面黏结强度。 观察试件 的断裂面 ， 发现钢渣混凝土断裂基本都是发生在集料本身 ， 而并非集料与水泥石 的黏结界 面。 这就说 明与石子相 比， 作为粗集料 的钢渣由于其表面很粗糙 ， 使集料与水泥石黏 结较好 ， 充分发挥 了集料的骨架作用。 另外钢渣粗骨料混凝 土耐久性也相 当不错 ， 由于钢渣中含有和水泥相类似的硅 酸三钙 、 硅 酸二钙及铁铝 酸盐等 活性矿 物质 ， 具有水 硬胶 凝性 ， 有一定 的胶凝作用 ， 使得 钢渣粗 骨料混凝 土在 后前 的生长过 程中更趋 于密实 ， 因此 其抗 冻性 、 抗 渗性均优于 天然石粗 骨料混凝 土并 且得益 于钢渣 粗骨料混凝土的黏 结性超强界面 ， 其耐磨性也 比较优异 。 1 3 粗磨钢 渣替代 细骨料 目 前 我国多数地区使用 的是天然砂 ， 天然砂 资源是一 种地方资源 、 是短时 内不可再生和需要长距离运输的。 随着 基本建设 的 E l 益发展和环境保护的需要 ， 我 国不少地 区出 现 天然砂 资源逐步减少 、 砂的质量下降 、 限采或禁采天然 砂 的情况 ， 混凝 土用砂供需矛盾尤为突 出。 而砂 的价格越 来 越高 ， 用砂高峰时甚至无砂可用 ， 影响 了工程建设的进 展 。 同时 ， 随着混凝土技术 的迅速发展 ， 混凝土对砂 的技术 要求越来越高， 特别是高强度等级和高性能混凝 土对骨料 的要求很 严 ， 能满足其要求的天然砂数量越来越少 ， 甚至 没有。 因此 ， 发展新砂源 、 寻找砂 的替代 品势在必行 ， 钢渣 砂研究也就迫在眉睫。 目前的研究方 向主要是钢渣砂用于配制普通混凝 土 、 载重混凝土 、 沥青混凝土等 。 钢渣砂不仅满足建筑用砂 的 性能要求 ， 而且从钢渣砂 的化学成分和矿物组成可知 ， 钢 渣砂 具有一定 的胶凝性能 ， 能提 高材料 的整体性能 。 钢渣 代砂制备的砂浆具有密度大 、 强度高 、 抗渗性好等优点 。 与普通砂相 比， 钢渣表面较粗糙 ， 所组成的混合料具 有较大的内磨阻力 ， 同时这种粗糙增加 了骨料 的表面积 ， 使与水泥的黏合面积增 大 ， 提高了钢渣 与水泥 的黏结力 ， 并且得益于钢渣优 良的耐磨性 ， 其混凝土后期耐磨性也 比 较好 。 由于钢渣的后期微膨胀性 ， 其后期 的密实度也较普 通混凝 土好 。 另外如果钢渣用作 沥青水 泥细集料 ， 钢渣 中 含有 的 c a 、 Mg 2 + , F e 、 A 1 、 Mn 斗等大量 阳离子 能与 沥青 中的某些 物质( 如沥青 酸 ) 发生化学反应 ， 生成沥青酸盐 。 在钢渣表面构成化学吸附层 ， 而化学相互作用 的强度超过 分子作用力许多倍 ， 可增加沥青 与钢渣 的黏结 力 ， 并使沥 青混合料具有 良好 的水稳性 。 1 4 钢渣用作掺合料 配制高性能混凝土依赖于高强度等级水泥和J I , D I 0 。 但是 只用高强度等级水 泥配制的混凝土水化热高 ， 易产生 裂缝 ， 导致混凝土破坏。 采用降低混凝土的水灰 比， 增加混 凝土密实度的方法 ， 其后果是不能保证施工时的大流动度 的要求 ， 同时水灰 比很小 ， 部分水泥颗粒不能充分水化 ， 也 会影 响混凝土的性能。 随着现代水泥混凝 土技术的发展 ， 矿物掺合料已成 为 混凝土必不可少 的组分 。 矿渣和粉煤灰作为辅助性胶凝材 料在水泥混凝土 中已得到广泛的应用。 相对于矿渣粉 ， 钢 渣和硅酸盐水泥熟料具有相似 的矿物组成 ， 也具有水硬 活 性 ， 可用作水泥 昆 合材 。 近几年钢渣在水泥混凝土领域的利 用已引起重视。 对 于钢渣的水硬活性及其激发和掺钢渣粉 水泥混凝土 的性能 。 不少学者在此方面做了有 益的研究 。 目前钢渣用作掺合料的研究有两个方向分别是 钢渣 的单 掺和复掺 。 钢渣单掺 、 复掺做掺合料均能增加新拌混凝土 的流动 性 、 黏聚性 、 保水性 、 改善混凝土的可泵性 。 并能提高硬化 混凝土的强度和耐久性 。 单独掺加钢渣粉时 ， 随掺量增加 ， 混凝土 的抗压强度 、 抗弯拉强度逐渐降低 ； 钢渣粉和矿渣 粉复掺 时 ， 混凝土性能得到有效 的提高 ， 即钢渣与矿渣复 掺 ， 在混凝土 中具有相互活化 的功能 ， 适于实际工程的应 用 ； 由于钢渣粉 的水化作用较慢 ， 导致混凝土早期强度较 低 ， 需要利用 活性激发剂加快钢渣 的活化 ， 以满足混凝 土 高强度 、 高性能的要求 。 2 钢 渣用 于混凝土存在的 问题 目前钢渣在混凝 土中应用受 限的主要原 因有两个 ： 一 是钢渣 的成分波动大 ， 稳定性差 ； 二是钢渣可能存在安定性 不 良的问题。 目前绝大部分钢渣并不是作为产 品生产 ， 而是 作为废渣排放 的， 因此 ， 钢渣的品质很难得 到保障。 随着钢 渣作为混凝土掺合料 的研究不断深入 ， 钢渣在混凝土中应用 所具有的巨大潜在经济效益不断体现 ， 钢铁企业会对钢渣 的排放及处理工艺进行改进 ， 从而使钢渣的品质得到提高。 钢渣 的安定性是钢渣在混凝土 中应 用需要考虑的重 下转第 1 2 9页 1 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 BO NAV E T T I V L， I RAS S AR E F T h e e f f e c t o f s t o n e d u s t c o n t e n t i n s a n d C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 5 8 0 5 9 0 5 B ON AVE T T I V L， R AHHA L V F， I RAS S AR E F S t u d i e s o n t h e c a r b o a l u mi n a t e f o r ma t i o n i n 1 i me s t o n e f i l l e r b l e n d e d c e me n t s C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 o 0 1 ( 3 1 ) ： 8 5 3 8 5 9 【 6 】Z HOU Mi n g k a i ， P E NG S h a o mi n g ， XU J i a n， e t a 1 E f f e c t o f s t o n e p o w d e r o n s t o n e c h i p p i n g s c o n c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y 上接第 1 2 3页 点问题 ， R O相和游离 C a O被认 为是影 响钢渣安定性 的主 要 因素。 唐明述的研究结果表明4 1 ， 以固溶态存在的 R 0 相 ， 无论是方铁石还是 Mg O、 Mn O、 F e O形成 的固溶体 ， 对水都 比较稳定 ， 用高 温高压 也不能加速其水化 ， 即 R O相是非 活性的 。 肖琪仲翻 、 钱光人罔 对钢渣进行 的高温 高压水热反 应试验研究结果也表明 R O相是相对稳定的。 有学者认 为 R O相并不是绝对 的惰性 ， R O相是否影响钢渣的安定性主 要取决于 R O相 中 Mg O的含量 ， 当 R O相 中 Mg O的含量 超过 7 0 时 ， 钢渣 的安 定性不 良 。 钢渣 中少量 C a O以游 离形式存在 ， f - C a O水化生成 C a ( 0 H) ， 体积增大 1 9 8 倍 ， 很多学者认为这是导致钢渣安定性不 良的重要 因素 。 钢 渣 中 f - C a O的含量在 1 7 之 间 ， 其含量受原材料 、 炼钢 工艺 、 钢渣冷却方式等多个 因素 的影 响 ， 在将钢渣作 为产 品生产 的过 程 中应对 钢渣 中的 f - C a O含量 严格控 制 。 另 外 ， 有研究表明当钢渣 中金属铁粒含量在 2 2 以上时 ， 压 蒸试验的安定性不合格， 因此钢渣必须经过磁选 。 3结 语 如前所述 ， 钢渣 由于 自身存在的潜在活性等其他特性 ， 可将钢渣应用混凝土的多种方面 ， 提升混凝土的各种性能 ， 降低工程造价， 最终达到钢渣高附加值利用的目的。 而且钢 渣在混凝 土中的应用不仅 可以解决 目前 由于钢渣 大面积 堆放而造成的环境问题 ， 而且提高了钢渣 的附加利用价值 ， 具有 良好 的经济效益 。 当然钢渣在混凝土 中的应用还有一些 问题有待 继续 研究 ， 例 如钢渣应用 于混凝 土中的 比例问题 ： 钢渣替代水 泥 、 粗骨料 、 细集料等的比例 ， 在何种 比例能够发挥钢渣最 大 的效能 ， 提高混凝土的性能 ； 钢渣前期 的处理 问题 ： 由于 钢渣 的不 同应用方 向 ， 需要将 钢渣处理成所需要的粒径 ， 配套 的处理设备是必不 可少 的 ； 另外 ， 如何 在钢渣的前期 上接第 1 2 5页 ( 2 ) 选用浓度值为 3 5 的搅拌站废水 ， 通过外加剂 的 微调试配 ， 可以制备 出工作性能 良好与满 足强度等级要求 的绿色混凝土。 在满足混凝 土性能要求的前提下可适量增 加废水掺量。 ( 3 ) 选用浓 度值为 3 5 的搅拌站废水 ， 制备混凝 土强 度等级为 C 2 0 、 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5 、 C 4 0 的混凝土， 其废水 的最佳 掺量分别为 6 0 、 4 0 、 4 0 、 2 0 、 2 0 。 参考文献 ： 【 1 常洪民， 葛新文 ， 王东旭 废弃混凝土拌合物分离浆水再利用技 术的试验研究 j 昆凝土 ， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 6 9 7 0 o f T e c h n o l o g y ( M a t e r i a l s S c i e n c e s E d i t i o n ) ， 1 9 9 6 ， 1 1 ( 4 ) ： 2 9 3 4 作者简介 ： 王立华( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 高级工程师， 硕士， 主要从事水工 混凝土、 特种混凝土及新型建筑材料开发、 研究、 推广。 联系地址 ： 厂州市天河区天寿路 1 1 6 号 广东水利大厦 B座 1 1 0 2 室( 5 1 0 0 0 0 ) 联系电话 ： 0 2 0 3 8 0 3 6 6 2 8 处理过程 中降低钢渣 中的不安定因素 ， 进一步提高钢渣的 稳定性等也是研究的重点。 因此 ， 钢渣 的研究和开发还有很 多的方 向需要进一步的去探 寻。 参考文献： 1 】金强 ， 贺鸿珠 ， 杨刚 ， 等 宝钢钢渣在混凝土材料中资源化应用 技术研究 J _宝钢技术 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 9 2 2 2 12 白敏， 尚建丽， 张松榆 ， 等 冈 渣替代粗集料配制混凝土的试验 研究f J 昆凝土 ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 6 2 6 5 3 】丁庆军 ， 李春 ， 等 钢渣作沥青混凝土集料的研究 J 武汉理工大 学学报 ， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 9 - 1 3 4 】唐明述 ， 袁美栖 ， 韩而芬 ， 等钢渣中 M g O 、 M n O 、 F e O的结晶状态 与钢渣的体积稳定性 J _硅酸盐学报 ， 1 9 7 9 ， 7 0) ： 3 5 4 6 【 5 】叶贡欣 冈 渣中的二价剥匕物及其与钢渣水泥体积安定性的关 系【 c ， 水泥学术会议论文集编委会 水泥学会会议论文选集北 京 ： 中国建筑 6 】 候贵华， 李伟峰 ， 郭伟 ， 等 转炉钢渣的显微形貌及矿物相 J 1 _ 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 3 6 4 4 3 【 7 】肖琪仲 冈 渣的膨胀破坏与抑制 J 】 硅 酸盐学报 ， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 6 ) ： 63 5 6 40 f 8 18 钱光人 ， 徐光亮， 李和玉， 等 1 氐碱度钢渣的矿物组成、 岩相特征 与膨胀研究 J 】 西南工学院学报， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 1 ) ： 3 5 3 9 9 】Q I A N G R， S U N D D， T A Y J H， e t a 1 H y d r o t h e r m a l r e a c t i o n a n d aut o _c l a v e s t a b i l i t y o f Mg b e a r i n g RO p h a s e i n s t e e l s i a g f I J I B r i t i s h C e r a m i c T r a n s a c t i o n s ， 2 0 0 2 ， 1 0 1 ( 4 ) ： 1 5 9 1 6 4 【 1 0 李永鑫 含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成结构及性能研究【 D 北京 ： 中国建筑材料科学研究院， 2 0 0 3 作者简介： 吴 U ( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 研究方向 ： 高性能混凝土。 联系地址： 西安市碑林区西安建筑科技大学 1 1 号信箱( 7 1 0 0 5 5 ) 联 系 电话 ： 1 5 9 9 1 7 0 7 7 2 2 2 】姚志玉， 张冬原废水对混凝土强度及耐久，l生 的影响【 c ， 建设工 程混凝土应用新技术 ， 2 0 0 9 I 3 l3 何廷树， 李小玲， 王福川， 等 搅拌站废水对不同掺合料配制的 C 8 0高强混凝土强度的影响 J 1 _ 硅酸盐通报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 2 ) ： 3 8 4 3 88 【 4 】何正斌 ， 孙皖红 ， 王韶辉 ， 等 搅拌站废水对混凝土性能影响研 究 广东建材 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 2 4 2 6 作者简介 联系地址 联 系 电话 欧阳孟学( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 大学本科。 西安市长安区王寺镇西街 中建商品混凝土西安有 限公司技术科 ( 7 1 0 1 1 6 ) 1 8 6 0 71 3 2 3 71 1 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m